автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированное оптимальное управление периодическими процессами ферментации (на примере производства лизина)

MíffiHffíspcTBo НАШ.эдгатйй шкоды и технической псштжт

РОССИЙСКОЙ ÍFJFPAIÜM ' , шокоескнй ордена еудсшго ilpjffîfto беши'м ишшдаряг&нй

шюгятя.' issffiKû тшшшюсто.

lin правах рукописи Казаков Аиксавдр Влэдазирович

двтщшшровшзэз шмшшж гамвямж пшгодичежйд! пнзцесзам тшатш (из пршюрв пронзводсгва линияа)

Сдоцкальяость 06-13.07 - Азтоматазечдя тоююлагачасда,

ГртЦеССОП Ж ПрОЕЗВОДСУЯ

ASr0P28BPAÍ í

ляосорггг{?а да ооксяшгагэ учзпоЗ стеиэня доктора технических «аук

Москвн - 1933

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного йиашни технологическом институте пшцзвай прошшлетаоста.

Офащшльшэ оппоненты:член-корреспондент Российской акаде-юга тэшологических наук .доктор технических наук ,про4оссор ШШЮВ В&кевпш Васильевич ,\лон-корре мтокдвнт Российской вкадэкки инженерных наук,доктор технических наук .профессор ШЛОДЗН Енстор (Ёихайлошч .доктор технических нзук,профессор КАИЮВ Вдлерй Ниаковач.

Ведущая организация : ордояа Трудового Краевого Знамени НПО'ЦентральанЕ научно-исследовательский институт комплексно!! автоматизация" (ШО ЦШШКА).

Зедита диссертации состоится " Ш " 1992 г

в *ЧО* часоз а Московском ордена Трудового Красного Бнамэни технологическом институте падевой прохышеяности. Адрес:125080, Уосквз,Волоколамское шоссе,дом II ,МТИПП.

О диссертацией можно ознакомиться в Оя&штстеке института. 1

Автореферат разослан * | 1992 г.

Ученый секретарь сгоцнвлизироЕанного совета каздадат технических наук,доцент

Н.Л.КУЗНЕЦОВА

оещм характеристик работы

Актуальность проблеет.Про;<ми«пиая блотенгологеш квляотся одной из наиболее дин тягою раэтпнйксцахся отраслей производства, ссудаствлягацэй галпуск ютрокой шкзшслатурц продукции -хлобоггокоршх дрожгей, органических кислот, южюгагелог.кэди-цинских я фермэнтдах препврятог. я многих других продуктов.Основной стадией редкого биотетлологического производства является фермоитзют.на которой происходит образование цолйбо-го продукта путем »Екробиологичэскогс» синтеза ¿¡ли трансформации.Ее роль определяется тем,что в'Сойшннств«* слупвмз па шо приходится основная доля затрат .фэрщфущях сабестокмэоть продукции. Поатону совершенство тогго-тагичэского процесса из стадии фермонтацга вносит опродоля*ядей шляд в техйкко--вкажяя1-ческпэ показатели производства п цэлом.

Большинство продуктов йшробпого силтэоа получатся с использовашизм нериодепзских процессов ферментации,что делаот та одним из н пи более массовых объектов управления п биотехнология. Поэтому оптимальней управдэт® такими процэссомя являэтся актуальной проблемой , рояепм» которой тсвящеш работа многих исследователей.

Диссертационная работа обожает результата исследований, проводившихся нп кафэдра Автоштгзацяя ткцевнх производств Московского те ига ло гичо ско го гсгстптутз ШЦ9В0Й прояиаглвниостн в рамках рада гос.бодз8»тных и хоздогосЬрнид там, а в цастсядеэ время внпсшшмгн: в рамках Государства шгаЗ научго-техшгческоА программа "Перспективные процесса в перер&батывапцдх отраслях АПК".

Состояние вопроса Лаоретлччскке и эксперкмвнталънш исследования периодических процессов фрмэпгяцга с цольп их спттгя-зацип и оптимального управления проводилась во многих научно-исследовательских я учебных институтах : ВИЙМлтябвотгогов, ВЮШиотехниив.мХТИ им.Менделеева,Каунасском политеитасксм институте,НПО Промавтоматнка (г.ГрозшЯ) и яр.Их рэзультати

публикуются в начата и оасувдазется ка кощ&ерекцаяя.

Тем на ноше, ив смотра на Сояьеоз «шало поело довшв® к публикаций,в том число обобщаемого и кетодичоacoro харйкгера.до esa пор отсутствует вригодгоая цля широкой ининарной практики штодшш построения АСУ перяоднчо снами процоссаш ферментации, учгтыаавдая особенности бтих процэссоп кек объектов оперативного управланкя, а таккэ • штодика оптимизации процессов ыикро-(Злогог^мосКого синтеза при их разработка.

Вакгюйаей особешостыэ периодических процессов является 'стахаоигаюсть,которая дэ.яает капоейзектшшш пришшшге на. производства программ оптшалыгого управления,рассчитанных для в средне го "про ца с с а, а такка затрудняет координацию работы бко-. реакторов цшшнзекого действия в составе единого производственного ксададекоа .Как было показано в работах Ю.Ствно-киса.Бысокоа качество' упраьшния такими процессами может быть достигнуто только на основа принципа адаптации,т.е.при учете , их индивидуальных особенностей.

Цель работе.Разработка пранцшюв а методов оптимального управления периодическими процессами фармонткации о учетом . их ивдшвдугльгаа особенностей .создание методики построогащ ^ав-

• томатизировакшх. систем управления,реализующие эти принципа, а тшг» разработка практической методики оптимизации процессов, микробиологического синтеза при их разработке.

катода исследования.Поставленные задачи решаются методами Tsopiu; автоматического управлешю,математического моделирования и численного ексшримеита. Проверка разработанных математических моделей,алгоритмов и 1цюграмм проводится с помощью натурных и численных экспериментов.

Научная ношзва ,Ё работе развит принципиально новый подход

• к' оптимальному управлению тагаши нестационарными стохастическими объектада,как периодические процессы ферментации,основав-шй на нетрадиционном способе математического описания их индивидуальных особенностей.Для этого вводится обобщенный пока-еатель .-г индекс индивиду алышх свойств,который характеризует, устойчивые отличия конкретного процесса от средывстатисти-

-з -

ческого.В зависимости от атого показателя- боскошчнаморное множество процессов делятся па компактные подаютлстпа -классы с Длизюжи индипидуалыгаол свойством:! .Для. управления процессами,прга№ДЛ9Е2Щ!М1 к одному классу используется общая программа,рассчитанная для эталонного процессе этого 1елпссэ.

При разработке данной концепции б.чли получена следущта результаты:

1.разработан метод построения оперативного и апостериорного идентификаторов для восотзиовлония индекса яндавидуаяышх свойств по нэблюдаемчм емходннм координатам процессов ферментации;

2.решена задача спттальнсй классификации периодических; процессов фэрменгацш по индексу ияллвйдучлышх свойств для делай оптимального управления ;

3.сфэрмулировапн я ревеш тготовые задггги оптимального управления периодическим» процессами ферментация ¡з составе технологических комплэксов опоревкторов адплического действия гп основе их оперативной классифжации;

4 .разработан комплекс алгоритмов оперативного управления нроижодстве!пшм процессом в цехе (отделении) фэривнта-цик, оостянлямцяй ■ подсистему оперативного управления типовой АСУ фермонтпции;

5.разработан метод формального синтеза структура кинетических функций при разработке математических моделей процессов ферментации к его программное обеслечетге.

Практическая ценность.Теоретические • к эксшршентальвш исследования,результата которых изложены в диссертации,шзво-. лили создать' инженерную методику разработки сффектиидох АСУ Ферлентацш.'оСвслечявагацсс новшетто техшко-мкягомичоскнх показателей биотехнологичоскях производств за счет более полного использования потоншалымх вовмоявоетеа какдого процесса ферментации.Применение методики при проведении прэдпрозктша ГОР и техно-рабочем проектирования систем'позволяет швнспть производительность труда разработчиков, сократить сроки создают систем и затраты на их проведотио.

Разработав программой комплекс задач ошратшшаго управления для №3 еыашшго шярабиолога пзршго отдолзшя цеха фор-ьактвщга, который внедрен в составе штегрлрованжзй сястогш автоматизированного управления Трзяольсжш бгохкшческш заводом на база ЭВМ Ой I'120.Экошкичагашй еффакг от внедрения АН! составил 410 тно.руб аа 1ЭЭ1г.

Уотодака кослэдовтпш и оптнзацни процессов фаразнтации и ае прогршааое обеспеченна в взде Пакета прикладных програш , "Библиотека програлш мккробяолога ИВ!" внедрены в ряда науч-но-исслэдоЕвтельашх оргшшзвдаа.

Разработана уооБэрвеыствоввниая вэрсня ППП ШЬ в форма АРЫ квхрабяалога-зсслддаваталя; ¿Ш передано Научно-техническому цонтру прикладной йнотехнолопш ( г.Обухов Киевской области , Уздзаини).

Публикации .Ыатвраалц диссертации опублаковещ в 26 почетных работах.

¿ввробавдя работы.Осношша результата диссертационной работу долаквнь на XI Национальной научно-технической ко1фаренщщ',АБ-' тсыатаасцхя процессов пвдавой промышленности" ( Пловдив,1984г)„ У1 Национальной научна-техничаской конференции о иввдународ-шм участиеьГДвтаиЕТИзация процессов в отцовой и биотехнологи-ческоа прошшшнности"(Пловдив, 1990т),а такгэ ив следуири всасалаках научшх и научно-тэхничэских .конференциях^Математические метода в химии"(Грозный,1985г);"Автоматизация и роботизация в химической пракшзлзшости" ( Тшбов,1386 и 198В гг); "Управляемое культивирование микроорганизмов"(Цущино, 1986 г); . "Микропроцессорные комплексы для управления техналогичаскими процессами"(Грозный,1889 и 1991гг) ;научио-празстической"ТСО-88и (Москва,1988т).

. дассертацаошая работа докладаапась на секции Ученого совета ШО ЩИННА а научном семинаре квфедры'Автоматизация технологически* процвссов"МТИПП.

Структура работы.Диссертация аоотоит из введения .шести глав и выводов,ее содержание излокано на 234 стр. машинописного текс-. та.вклвчаат ЭХ рноунйк,20 тц'сцшц и приложения ¡описок литературы

содержит 146 наименований отечественных и зарубежных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ .

Первая глава работы посвящена общим пробломам оптимизации и оптимального управления периодически«! процессами ферментация а носит абаоряо-постановочный характер.Вначале рассматривается основные разновидности нестационарных процессов ферментации -"чисто"периодических,периодических с подпиткой и отливдо-Долив-ных, анализируются их общие свойства и показателя, эффективности.

Следущий раздел посвящен задачам оптимизации периодических процессов ферментации вне реального времеш»,прежде всего,применительно в разработке новых технологических процессов микробиологического синтеза.Отмечаемся,что при использований для этого традиционной методики приходится выполнять . большие объемы продолжительных и трудоемких натурнах экспериментов, что приводит к дяительним срокам разработки повнх технологичоскнх процессов и большим затрете«.Поэтому в качестве основного направления попшвения аффективное та таких исследований предлагается замена части натурнцх экспериментов численными, выполняемыми ва ЭВЫ с испаиьэовашем ыатеиатнчес-кой модели исоледусмогопроцэсса.

Из обзора публикаций,посвященных математическому моделированию периодических процессов ферментации,следует,что в большинстве случаев применяются модели в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений

. <Н/М (1 )

где Т - Виктор фвэовнх перемешшх;К - вектор параметров мо-доли;Щ - вектор внешних воздействий;? - векто^-фукк-ция, описывающая структуру модели. Проанализировано содержание основных стадий построения математических моделей наиболее аффективным и распространявши* вкспершюнтально-аналнтическим методом .Показано,что самой сложной из них является синтез структура кинетических завися мостей для описания, у дальних скоростей роста бномассн и етзд

теза целевого продукта.

Нв примере хорошо поученного процесса микробиологического синтеза лноина вуксотрофцша мутантами рода Вгет1Ьаот;еИлга , для котарах опубликовано несколько вариантов математических (годолей,прослежена связь моаду структурой кинетических во-висишстой и законодарнестями метаболизме микроорганизмов -продуцентов.Установлено,что в большинстве «одолей шюгофаи-торше кинетические зависимости представляют собой произведения типовых однофакторннх блоков - зависимостей,которые описывают одан из доух элеигеитаринх кинетических э$фд«-товглиштироввшю скорости процесса или ого шгибироваяго некоторым фактором.

Основные трудности на стадии синтеза структуры матоматст-ской модели связаны с определением постава влияизих нв кшю-тику факторов и характера парных зависимостей "фактор-удельная скорость процесса".Осталыше стадии построения шдоли (параметрлчзскея идентификация и проверка адекватности) ш-тодически отработаны и имеют достаточное программное обесто-чение.

Построенная математическая модель используется для прого-. дэкая чмолэшого эксперимента .который сводится к реявнт ся-тимязашганиой. задачи:

0<и(г>.1;ф)-- шах , (-2 1

в'

где »Г - критерий олгимачыгости ; - прогроад.га язмвшния условий культивирования нв протяжения процесса продолжительностью - множество допустимых решений, заданное системой уравнений математической модели (1 ) ,а такие условиями и огрвкичешями.палоиенннш на фазовые переменные и управления. . Для рапеная вариационной задачи ( 2 ) в ряде работ примв-швы необходимые условия оптимальности в форме принципа, максимума,однако отсутствие ладейного программного обеспечения огроничивяат цримгноииэ такого подхода в широкой пнжо-

верной практике.Наиболее рациональным п распростршекпам является прием парашгризация программа !)(<;) ,хса торий горепо-дат задачу ( 2 ) в класс задач нелинейного програмгаровоийя:

-► ггдх , (3)

»•V 0

гдо В - вектор параметров функция ТНВЛ> заданной структуры. , На примере периодического процесса ферментации пенищшета.а яатем и процесса биосинтеза лизина показано,что решение параметризованной задачи незначительно (на 10 - 15$)отллчвотоя от решения исходной вариационной задачи.Вместе о тем для решения яадач нелинейного программирования кчзэтпя стандартно© программное ожесточение.

Таким образом,возможно создание единой автоматизированной методики исследования и оптимизации периодических процессов Еврментации вне реального врешни.Дкя втого необходимо -первых,разработать форкализованюйс вотсд синтеза структуры кквэ-гкческих функций и.во-вторнх«. создать совместимое программное эЗеспвчение для проведения всех стадий чигслэшюго вксдариманта.

В заключительном разделе Нарвой главы дан анализ перкодн-тских процессов фэршзптацияГ как сййектой оптимального управло-ия в реальном масштаба временя. Расетютреют структура праби-ш.как обобщающего т&хнико-экошййчйскоМ' показателя афЦвктав-гасти производственного процесса.Показаво,Ч^о для производств,у гаторнх при фиксированной цоне предай», себестоимость сживется ! увеличением производительности или ййварйннтяв к ней.пркйгль астет с^ ростом производигельностл.В частности,» таким прсиз-одствт относится производство кормового концентрата лавина КИЛ) ,чго подтверждается статистическими данш&н рада онохкмза-одов.

Для подобных прозводсгв в качестве глобального критерия оптя-ального управления мокет быть принята производительность, эскольку «елевой продукт образуется только на стадии фар-энтпции.ее производительность совпадает а оОтЛ пршзводитеяь-зстыр всего технологического комплекса { с учетом потерь на

иослефврыоитшионных стадиях).С другой стороны,для технологических схем последовательной структуры,характерных для бяотех-иологичооких производств,оЗздя производительность ограничена пропускной способностью стадам - узкого места производства,по-ложэнив которой изменяется в зависимости от складывающейся производственной ситуация.

Если стадия фэрментацнй является узким местом производства, то задача оптимального управления для нее ставится оле-дупщзм образом: *

н

М £ в^^)/ %±~* ( 4 '

4=1 (М^« Б

где М - число активных биореакторов на плановом отрезке времени 3 б1 - количество целевого продукта,синтезированное в 1-ом цикла обращения биореактора продолжительностью А' -упрвнвякцие воздействия .применяемые в 1-ом цикле обращения : биоревхтора;К - число циклов обращения биореактора за плановый период.определяемое из соотношения и

Если узким настом производства является одна из послвфермея-тациошшх стадий.то задача ( 4 ) дополняется следунцим условием согласования производительности стадии ферментации с пропускной способность» узкого места:

йДу^)/ *1 * * ' • ' ( 5 >

где V., - объем культуральной гадости, сливаемой из биореактора после зявориения 1-го цикла его обращения;Р - пропускная способность стадии-узкого места производства,пересчитанная на расход культуральной гвдкасти.

Анализ целевой функции и состава вектора управляющих воздействий позволяет провести докошозицив глобальной задачи (4 )-(5)на четыре локальннх задачи :

- управления вспомогательными стадиями цикла обреяешя био-зактора;

- координация рчботы бкорвакторов связанных обадам сливаам >ллектором по мшшмазацим вяешюновнх простоев при разгрузка;

- оптимального управления отдолыкает процесса1«! фарюнтация |дакяоЯ продолжительности с учетом их индивидуальная особенней;

- определения оптимальной продолжительности процессов (сада-'; I координации).

Обзор известных аз публикаций постановок оттос задач и мето-в их решения показал,что основное взимание удзляэтея задаче тимальиого управления отдельными ггрсцв ссаки с учетом язе квди-дуальянх особенностей.Зто связано со стохасткчностьп пэриода-ских процессов ферментации,которая проявляется в отклонении казателей отдельных процессов и V от средних значений.

[ф1шар,коэф£:щконти вариация указанных показателей у произ-зсгвенных процессов ферментации лизина в биороакторвх виюсты-зтьв 100 м3 составляют от 24 да 4вХ.Стохаатичность з^трудаиа* * оператишод- управление отдельными процассема.твк и коор--юци» работа бкорэвктороз в составе технологического котяа-» цеха (отделогвд) ферментации.

"Градационный подход к адагптеркочу управлению пермодачаскигэ щессвма ферментация состоит в идентификация математической дели по экспериментальным данним текущего процесса и расчете ней оптимальной промаши управления . Однако он мала при-1вн для практического применения из-за огрщгачошого объема, тунной информации я шеокого уровня помех, поэтому в данной оте использован шой подход,который состоит в следукщом. В качестве обобщенной характеристики индивидуалыых особен-тей используется интегральный показатель - ацдокс индивиду-над свойств периодического процесса ферментации,который может ь оперативно идентифицирован по совокупности наблвдаемнх н четннх показателей текущего процесса па рашей стадии его вития.В зависимости от етого показателя весь спактр процессов атся на группы - классы с близкими свойствами.Процесса.отне-

'шнанв при сшаратазяай класси|Щ£вцяи к одному классу, рассматривается как вдвнтечшери я шш пршзияется общая прогршэга упра-влензя.расочктаашш елз рэадького вреглзш! для этшюнндго про-цэсоа (¿аргзнтацаа данного класса.

Такой подход представляет собой каэдрошсс шаду упрввланЕш всеш процоссаиа по общаг протрашэ бае учета их шдшдцуалышх особенностей и адшшткш уггратжшеи.Нек будэт показано в двльиэйши , при отиаашшюа выбора количества классов потери потенциала управления из-за ннвэлЕровки свойств процессов в продолах ивздого класса еязиачитэльш.в частности,да процас-ссв фериантацга лиашш.ваш щшять потенциал автоматизированного управления за 1СШ, та потанциал управления при далаши па одашзльноз та ело б классов составляет во,?£ ,а при управлэшш всеш процеесшя по единой програш:а - всего 33,3%.

С учетоа пранятого подхода .задача ( 4 )-( Б ) преобразуется в едздущув:

......гЛ--:--ИЗ* ( б )

3=1 3 3

■ щт уйбоше

"Дутлу ;

-— , (7)

Е

где и - число классов; у} - вероятность шяелзния процессов з-го класса; ^ и - характеристики эталонного процесса 3 -го класав.

Для прастшесксЗ рваиззщаа предлогенвого подхода нэобходаш ' . 1 .разработать катод опэратаашз идзятвфЕкацш! шдзкоа кыдеша-дуальных-свойств 'шраодичошшх процессов ферментации ;

2.сформулировать п разить задачу определения оптимального чешш классов;

•Э.решть задачу ( 6 )-( 7 ) для пшозах производственных сигу едан в цехэ (отдалении) фарценшда;

4.разработать принципа построения АСУ ферментации не основе принятого подхода к оптимальному управлсшт» пэрнодическгаа провесами ферментации ,а твкке таловое математическое обеспеченно такой системы;

5. разработать инженерную методику проектировании АСУ ферментации для конкретных биотехлолошчесши производств, и в том числа методику исследования и оптимизации процессов фермантеця;.' о применением ЭВМ.

Вторая глава посвящена роптанию комплекса задач , связанных, с классификацией периодами сюа процессов ферментации по индексу индивиду альннх свойств.Первой рассматривается задача восстановления индекса инднЕИДуальнид свойств по вксюрнмен-тальннм данным.Метода ее реиа1шя основаны на допущении о той, что,наряду с начальный! и внешними условиями,индекс индивидуальных свойств 0 определяет ход и результаты процесса: t(t)» <$a(0),W(t).e) (8)

гдо ф - интегральный онератор;ЗГ(г)~ вектор-пункция изшнйгщн фазовых координат,которая является решением уравнений математической модели ( 1 ) при оадашшО начальных условиях 1С (О), внешних условиях W(t) и параметрах Н{8) мадбла,иденшЗ£йцяро~ ванных по экспериментальным данным конкретного працасеа ферментации . • .

Первый метод восстановления индекса индивидуальных свойств по Y(t) предназначен для чиста периодических процессов,когда моано предполокить.чтэ начальные и внеатиз условия воопроазш-дягся от процесса к процессу с достаточной точностью.Тогда аз ( 8 ) следует;

- 6 = ф~ЧУ(1)1/ Y(0)=io,W(t)=Wo(t) { 9 >

В качестве оценок используются максимально коррелированные линейные формы (канояичагагав корреляции) составлящих вектора У для двух различных моментов времени t? и tg>t, .При этом оценка для момента t2,3a который принимается время аявормонкя процесса ферментации,рассматривается как апостериорная,а для момента - как оперативная.13цСор составы векторов !f(t() ц i(t ) производится эпристичесют исходя из того,что наборы по-

казаталей долиш возмог то полнее характеризовать развитие процесса от его на чала до соответствующего момента времени роста.

Из-за произвольного набора состава показателей возможна их коррэляровашгастъ, поэтому производится переход к новым некоррелированном перемонтам - главным компонентам векторов Уи^) и У<1:2).В заключение рассчитываются канонические корреляции дяя перв"х главных кошонент, содержащих заданную часть общей дисперсии первичных показателей,например,95Ж.В качестве идентификаторов принимаются значимые по %Р'~ критерию канонические корреляции.

Второй метод восстановления е предназначен для периодических с подпиткой процессов ферментации,у которых влияние на вариации от процесса к процессу внешних условий соизмеримо с влиянием изменений индекса индивидуальных свойств.Отличие-от. первого состоит в том,что в качестве соотавлящих вектора используется часть параметров К(6) индивидуальных математических моделей,наиболее чувствительных к изменению индекса индивидуальных свойств.

Алгоритм расчета идентификаторов состоит в следу идем:

- формируются 'вектора ) и К*г)г

- рассчитывается их главше компонента и определяются та из них. суммарная дисперсия которых, составляет заданную часть оО-¡кей дисперсии;

- рассчитываются канонические корреляции■ главных компонент и из них отбираются значимые по хг-критеризо.

При расчете определяется коэффициента канонической корреля-цзш.ксгориа служат параметрами совместной плотности распределения соозветитвуюда состаалявдих апостериорной и оперативной оценок. '

Приводятся примори построеЕШя идентификаторов обоими методами для процессов ферментации лизина.Бо всех рассмотрении?, случаях индекс шднвидуальннх свойств я шлется двумерной величиной, соетавлянщпе которой могут быть качественно интерпретированы годна компонента .характеризует преимущественно кинетику, а другая - стехтаметри» процесса ферментации.

В следуицем раздело расскотрнвоетг.п задача оптимальной класыфкяцил.которчя в общем ваде сформулировано как задача определения параметров процедура классгфЕсецни числа m классов,границ их облаете.'* S^ в пространства 9 и icocpjipm? опорных точек,MöKcsü/iKKpi'Ksjis: хсриториД

Elf g{9,u*(e.>,t.(ö.)}.f<e,e>.dg.de —- mx„ ,( ю >

J=1~S> 3 3 * 3 J m'Sj'ej

где U* )и t'if)^)- оптимальная программа управления и продолжительность для эталонного процесса j-ro класса;Г(ß,ü)-совместная плотность рвспрвделввяя апостериорного и спорятя-вного идентификаторов индекса яндгшидуальгшк свойств. При декомпозиции из нее выделяются две подзадачи:

- оптимального квантования ,т.о.определения границ областей классов и координат опорянх точек прп заджшом числе классов;

- определения оптимального числа классов.

В теории информации решена задача оптшального квактовашш непрерывной случайной величины с известной плотность» распределения i{01) в следующей постановке:

Ri Ъ _ 2

Т, S (0±- еЛ1) Г(0±) üQi-► min'-. ( 11 )

где 1 - правая граница J-ro интервала разбиения области определения величии на п1 интервалов;!^- координата опорной точки J-ro интервала.

Из необходимых условий оптюлальноста ватекамт следующие . расчетные соотношашя,которые позволяют алгоритмизировать процедуру расчета оптимальных границ и координат бпорных точек: lJ XJ • ■

e*= j" е. г (в).ав//(в>. de и 1*=<в* + л is )

В диссертации С.Гшпшольскога паквзвяо.что при выполнении достаточно общих допущений о свойствах Функции g ренегата звда-

ч'л ( 11 ) совпадает с решением перша из подзадач , полученных придокомпооищщ ( 10 ).Г{ри атом в салу линейной независимости составляют« 01 задачу оптимального квантования юда' решать для каздой из них в отдельности.

. Собственно процедура классификации заключается в расчете оперативной оценки индекса 6 по акспвриыентаяышм данным текущего процесса ферментации и определении области в пространства в,которой она принадлежит.Области,которым принадлежат ' оценки индекса индивидуальных свойств,рассчитанные по оперативному и апостериорному идентификатору,могут различаться.За истинную принимается апостериорная оценка, поэтому разница рассматривается как погрешность оперативной классификации.Приводятся расчетные соотношения для определения вероятности оперативной классифисацйи процесса 3-го класса в качестве процесса 1-го класса

. В заключение рассматривается задача определения оптимального числа классов в двух постановках.Критерий первой из них подобен { 11 ),но учитывает погрешность оперативной классификации:

® г ' ~ „

2 X X (0!- ив^.ав^—, адз }

где 1* н в^удовлетворяат < 12 ).

Результаты численного решения втой задачи для чисел интервалов- I <п1<® и значений коэффициента корреляции о <р1<0,9 показывают,что если р1<0,5 ,то оптимальным является один интервал, т.е. деление на области пространства в по составлявшей 04 нецелесообразно. Если ва р4> 0,5 ,го г^—» ».Поскольку зтог результат не дает ответа на вопрос об оптимальном числа классов,приходится решать значительно л болоа сложную задачу в исходной постановке ( .10 ).Для практических расчетов она преобразована к сведущему виду: # и .ш

где вероятность оперативной классифжа^одш процесса ¿-го '

-

класса в качестве процесса 1-го класса значение показатели g,рассчитанное по модели еталонтаго процесса 3-го класса е использованием условно - оптимальной прогрсмш управления для процесса 1-го класса продолжительность» г.

Эта задача решатся для числа классов т=1,г... в такой последовательности:

I.определяются граница областей и координата опорных точек с использованием соотношений ( 12 );

2.строятся математические модели вталошшх процессов фэр-мента^ш какдого класса;

3.определяются условно-оптимальные программы управления для эталонных процессов разной продолжительности;

4.рассчитываются вероятности р^ (1,3=1,га);

5.рассчитываются значения функции при заданной продолжительности процессов; '

в.рассчитывается значение критерия задачи ( 14 ) и сравнивается с полученным в предыдущем цикле расчетов;если новое значение критерия больше,то расчет повторяется для следущего болызего значения п .иначе за оптимальное принимается число классов из предыдущего цикла расчетов.

Применение алгоритма решения задачи ( 14 ) иллюстрируется;ва примере определения оптимального числа классов для управления периодическими с подпиткой процессами ферментации лизина.Их

результата представлены на Рис.1.

1. кг ч

50 • .

Рис Л-Зависимость потенциала оптимального управления от . числа классов( кринчя 1-без учета погрешностей

га

оперативной кдесси^жйцяи;кривая 2 - с их учетом).

Иг графиков Рис.1 видно,что потенциал управления веема про-цессаш ио едшюй программе (к=1) составляет в дпшо.м случае За,2кг/ч с одного аппарата (при фактически достигнутом на производстве уровне 34„ОгаУч).С увеличением числа классов потенциал управления возрастает,причем без учета погрешностей оперативной классификации (кривая 1) он нсшптотичаски стремится и предельному значении 4й,6кг/ч,которое соответствует потенциалу адаптивного управления(ш »).Если учитываются погрешности оперативной классификации (кривея 2),то критерий} достегает максимума при числа классов т^б .которое является в данном случка сппмаяышм.

В третьей глава Ездокени катода решения комплекса задач оптимального управления периодическими процессами ферментации на основа их оперативной классификации по индексу индивидуальных свойств.Базовой является задача { 6 )-( 7 ),которая соответствует наиболее распространенному на практике варианту организации работы биороакторов циклического действия по свободному графику.

" При декомпозиции из задачи ( б > выделяется ш подзадач оптимального управления еталошшми процессами фарментации при за данной их прадолкителыюсти

. юшс (15)

V «и .

ц сладущая задача координации,которая должна решаться совместно о ограничением ( 7 ):

3=1---—щах , ( 16 )

12 У А

£ т;-^ иЛ « 1 ^

где £5а(» )-условио-отшальнвя характеристика эталошгаго процесса ферментации д-го класса,которая является ролеияем задачи < 15 ).

Как показано в первой глава работа,наиболее рационвльннЗ цдход к рошепл» варяацпошюЗ задачи ( 15 /состоит в о о кара-втризации.Его «Мективиоеть зависят от того,насколько обоспо-9Н кабор структур» функция И(Б,к) в зэдачо ( 3 ).Для процесса йослнтвоа лизина таков обоснование вшо-чноно еледувдш обра-э«:

1„исходная задача < 2 ) заменена расширенной,для которой «учено точное решение на осноте неоОходлмих условий опта-зльности в форда принципа максимума.Оптимальное значение кря->рия использовано » дальнейшем в качестве верхней' оцвюш ярз швнвшш различных вариантов структуры программ управлепля ш параметризованной задачи;

2.проведен качественный анализ решений расширенной аадачя.на давшата которого выбрани три возшкнда варианта, структур! агрия.1 подачи подпитки;

3.численно решена параметризованная задача ( 3 ) для вибран-х вариантов функции И(В,г).

На основании продаланнцх расчетов была выбрана простейшая но руктуре программа о постоянным расходом подпитки,при испо-эовшшя которой криторкй оказался на 14% шпт верхней оценки, > вполне приемлемо; от других рассмотренных вариантов он от-(алея но значешга критерия ив более чем на ¡а реашзия параметризованной задачи ( 15 ) для рпзнше зкаче -I Ь} определяются условю-онтииаяьпш характеристики эт&яон-процесоов фармеьтбции.На Рис.2 предстеапвги графики таких актерястик для Б классов периодических с подпиткой просев ферлентации лизина,которые рассчитаны в даапазояо вна-нй 72 ¡5 1,;}$ 96ч .'Тан еэ лоявоаны графики интегралыш здшзвзвеишшых) характеристик,определяема* из соотношений:

ш „ т .

Ш)=Е7и Ш)=£ (17)

3 3 ¿=1 •>

удобства ешюлншшя. последующа расчетов тасуляроншшив

зктерисгики а^Шатгрокскмироваш пналчтичасетш шфшодшя-

>сло расчета условна-оптимяльиик. характеристик решается за-

дача координации ( \6 ,,особенность которой состоит в том,что одна из варьируемых переменных - число И активных биореакто-ров-являвтся целочисленной.Поэтому проводятся дальнейшая де-кошозицая втой авдачи.в результата которой из нее выделяются

Ряс.2.Условно-оптимальные (а) и интегральные ^характеристики эталонных процессов ферментации лизина при делении на 6 классов

две подзадачи:

■ - определения оптимальной продолжительности циклов обращения биореакторов при заданном их числе;

' - определения оптимального числа активных биореакторов.

Первая из них решена с использованием необходимых условий огтгмаяьпости, вытекающих из теоремы Куна-Таккера,которые приводят к следующим соотношениям;

• Я при <1в*/<14;>> С

я

4 =

I при йз*/«^ С является корнем уравнения (З^/ау С=0

( 18 )

где О - парамэтр, значение которого определяется из дополнительных условий,указанных ниже. Вводятся следующие обозначения:

; Ktj-bTrCiiti^r.v.i^i/t .( 19 ) j=i 3 j=i J J J=J J J

На Рис.3 изобразени графики зависшостой l(t) и I(t).рассчитанные с попользованном соотношений ( 18 )-( 19 ) я условно-онтималышх характеристик,показанных гл Pirc.2.

i,u3/4 1,кг/ч 1.1 -

t.4

Рис.3.Графита зависимостей l(t) и f(t) для процессов ферментации лизина при делении на 6 классов.

Из них следует.что если ограничение ( V ) на расход культу-эалыгой жидкости не активно и,следовательно,стадия фериэнтацяа шлпется узким местом производства,то оптимальный рейта соот-»етствует точке максимума функция Т(Т).В данном случае параметры оптимального режима следующие :Т*= 76,6ч; Т*= 46,5кг/ч; ? = 0,979 м3/^.

Если мраничениэ активно .т.е. узким «естон производства являйся одна из шслеферментациошшх стадий,то оптимальный редан !оответствует максимально допустимому расходу культуральной. ¡здкости 1 = 1' /И.

Тшавд образом,условия для ьиборв оптимального значения С в

18 )следущие:

-•если ограниченна ( 7 ) не активно,то

С= argsaax 1(C);

( 20 >

- если ограничение ( 7 ) активное,то С! является корнем уравнения

. ?<"£«!))- Р /и =0. ( 21 >

В заключение решается задаче целочисленного программирования НЛ*(Ы> —шах . ( 22 >

где Т*(и) - решегою,полученное с использованием соотношений ( 18 )-( 21 ).

В рэсюте приводятся пример решения задачи ( 16 ) для условий одного из отдалений цеха ферментации Трююдьского БХЗ.

При сргвгасацни работы биореакторов по циклограмма задача ( о )-( 7 ) упрощаете^ за счет того,что в число варьируемых переменных входит только одно время цикла обращения,, общее для всех биореекторов независимо от индивидуальных особенностей 'протекающих в них. процессов, ферментации .Методика решения этой задачи аналогична изложенной вше, т. о. сначала определяются условко-оптималыше характеристики эталонных процессов, а затем решается задача координации.При решении последней используются иятегралъние характеркстшж ( 1? ),из графиков которых слодует, что если стадия фердантащш является узким .мостом производства, то оптимальный период обращения биореакторов соответствует точно максыума на кривей 1(1).Если узким местом является одна из гослеформонтационных стадий, то оптимальному периоду соответствует максимально допустимое среднее -значение расхода куль-туральноЯ жидкости со стадии ферментации .

Постановка задачи ( 6 )-< 7 ) не учитывает связей Оиореакто-ров (ншршор,Подключение к общему сливному коллектору! , которые накладывают дополнитэльнш ограничения на решения задачи ( 16 ) .Поэтому график сливов,рассчитанный с использованием оптимальных значений ^.необходимо корректировать с целью минимизации потерь от внеплановых простоев биореакторов при выгрузке.

В работе * предложен алгоритм координации,который реализует принцип обстукивания элементов очереди без приоритетов . Теку-в!Ие процесса упорядочиваются в соответствии, с последовательностью расчетных моментов их завершения,затем проверяется вн-

юлиеиие условий отсутствия просто в, и если они выполняется для •.сох токутаях процессов,то откоррдктировошшй грэфжс вагрузкп «впадает с исходным.При норуиеюш этих условий реавется зода-а определения оптимального графика выгрузки ,т.е. определения омэнтов слива,которые шздимально отличаются от расчетных мо-ентов завершения процессов при выполнении условий связи.

Для тех процессов с откорректированной продолжительностью, эторае находятся в управляемойстадии развития,рассчитываются эвыэ 1грограммы управ ло ни л и(1> .которые должны обеспечить зебулмую их продолжительность .Если ко процесс находится в »управляемой (завершающей) стадии .то для него определяется шдаемое время простоя. Одним из суцествешшх факторов,который влияет на производили ю от ь стадии ферментации и не учтен в постановке задачи б )-( Т ),является недостаточно согласованная работа посевных парвтов с производствояшши бйореактораот.В обиузм случае .пори могут быть вызваны внеплановыми простоями биорэакторов -за отсутствия годного для использования посевного маториа-. а такяе неоптшалыюй дня пересева фазой развития посевной яьтуры.

В работе выполнены исследования- по определенно степени еоз-?ствия этих факторов па производительность стадии фзрмента-{ в производстве лизина ка ТБХЗ.В результате установлено,что >чимое влияние оказывает только отсутствие годного посевного ■еризла.Задача оптимального согласования сформулирована как 1эча определения запаса времени при пуске посевного аппара-прп котором средние потеря .от простоя биореактора из-за утствия посевного материала на превшаят допустимой величи-Для условий ТБХЗ оптимальным оказался' запас .равный Зч.прн ором расчвтный средний простой биореаятора составляет 103 фактического среднего времени простоя в настоящее время. Алгоритм согласования работы посевного штарарата с произ-зтвошшм биореактором сводится к прогновировалию врекеня эраэния в последнем текущего процесса ферментация и опродо-по момента пуска посевного штарата с учетом оптимального 5здахщдго запаса. • •

5 заключение главы рассмотрен сводный алгоритм оперативного

управлвния работой технологического комплекса биореакторов щжлачаского действия,который ишмаат алгоритмы решения следующих рассмотренных вьше задач :

I.согласования производительности стадаи фаршштащш с про-еускнай способностью стадим-уакого места производства (задача ( 16 ));

.2.оптимального управления текусдаш процессами ферментации на оеноБе хре оперативной классификации по индексу индивиду-алышх свойств;

3.координация работы биореакторов,связанных общим сливным коллектором;

4.координации работи посешшис аппаратов и производственных биореакторов.

Дня исследования переходных процессов при оперативном управлении по данному алгоритму технологическим комплексом биореакторов циклического действия било проведено имитационное шделцрование работы груша из 14 биореакторов первого отделения цеха ферментации лизина Тришльского БХЗ .связанных обидам слышным коллектором.

Цодолироваюсь изменение в два раза пропускной способности •стадии-узкого места производства при различной продолжительности времени спада.Результаты имитационного моделирования содтвардали работоспособность алгоритма .который обеспечивает ритмичную работу комплекса биореакторов в условиях значитэль-кых изменений производительности.

В четвертой глава диссертации изложены методические основы построения и элементы проектирования автоматизированных систем , оперативного управления г/роцоссада фэрмэнтацвд(АСУ ферментации). В биотехнологии принята двухуровневая структура оперативного управления производственными процессам» на стадии фермента-щш:на гаошем уровне средствами локальной автоматизации или вручную осуществляется регулирование рекимных параметров и управление вспомогательными операциями цикла обращения производственных Саораактаров;на верхнем уровне реализуются функции *13Ш1Ллакгу£и[Ьйого"управлащт,1< которым относятся прогноз и диагностика развития текущих процессов ферментации,определение

- 2Э-

и.Креме того,в сортаве программного обаспечепия подсистема тлаза результатов работа стада! Серментации я реаения асслз-яаательских задач используется Пакет прикладных програмщ библиотека программ микробиолога квь".

В ¡застой глава диссертации изложены прикладные розульм-I работа,которые включаот следувдио разработки: технический проект типовой АСУ ферментации; методик." проектирования АСУ ферментации для конкретных нро-¡водств на базе типовой систенн ( с програюдаш оОоспэчвнн-

АП/1 сменного микробиолога первого отделения цеха ферментации составе"Системы оперативного управления технологическим про-ссом производства лизина на базе ЭВМ СМ 1420",внедренной на ХЗ в 1991г;

АРМ микрооиолога-исследователя,кок готовый прогрешннй про-кт, поставляемый совместно с Кпся-Ьоч "Методика исследования оптимизации процессов ферментации с использованием ЭВМ".АРМ едрено в Научно-техническом центре прикладной биотехнологии -Обухов Киевской области,Украина).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Првдлокена новая концепция оптимального управления порно-«скими процессами ферментации,основанная на их оперативной ассифик'ации но интегральному показателю - индекру индивнду-зних свойств и выполнен комплекс исследований гк| 'еа пршетит жоЯ реализации в промышленных автоматизированных системах эавления.

2.Разработан метод построения оперативного и впостериорно-идентифнеаторов для восстановления индекса индшзйду&яышх >йств по наблвдаемнм вшгодным координатам процессов фермента. Для двумерного индекса индивидуальных свойств процесса ментации лизина дана содержательная ттерпретидая.

3.Сформулирована и решена задача оптимальной классификаций «одических процессов ферм&нтвщга по индексу индивидуальных йств для целей оптимального управления .Разработана метода-

■ка классификации,ее алгоритмическое и программное обеспеченна.

4.0формуларозаны и решены типовые задачи оптимального управления периодическими процессами ферментации в состава техно логических- комплексов биореакторов циклического действия на основе их оперативной классификации по индексу индивидуальных свойств.Полученные решения реализованы в алгоритмах оптимального управления,которые составляй основу специального математического обеспечения АСУ ферментации.

б.Цредлоиена функционально-алгоритмическая структура типовой АСУ ферментации,как системы оперативного управления производственным процессом в цехе (отделении) ферментации,укомплектованном биораакторами циклического действия.Разработано программное обеспзчеяие нодсиствкы оперативного управления,которое входит в программный комплекс АРМ сменного микробиолога.

6. Разработана штекерная методика проектирования АСУ ферментации для различных биотехнологичаских производств на базе типовой системы.Разработано програшное обеспечение для решения основных проектных'задач в интерактивном ракимэ.

7.Спроектирована подсистема оперативного управления для АРЫ сданного микробиолога первого отделения цеха ферментации Гри-польского ЕХЗ,которая внедрена в составе "Системы оперативного управления технологическим процессом производства лизина на база ЭВМ И,11420".Экономический айюкт от внедрения АРМ составил 410 тыс.руб за 2991г.

8.Предложен формализованный метод синтеза структуры кинетических функций при построении математических; моделей процессов ферментации .На его основе разработан пакет прикладных программ для решения комплекса задач математического моделирования и оптимизации микробиологических процессов,составляющий программное обеспечение АРМ микробиолога-исследователя.

9.Разработана практическая методика исследования и оптимизации процессов микробиологического синтезе с использованием АРМ кикробиолога-иссладователя,которая обеспечивает сокращение сроков разработки новых техно логична ских процессов и сшшонкэ затрат ка их проведение.'

Содарааниа диссертационной работы страшно в 26 публикаци-

основннми из. которых является следущж):

1.Казаков A.B.,A>?i лысин А.А.Математическое моделирование а оптимальное управление подупергодичесгшл процессом культивирования хлебопе к аршх драгетй.Тезнсы докладов И Национальной кои^рещця'Лвтоглогнзация пищевой промншлшпзоета''. Пловдив,XS84,сЛ5.

2.Казаков A.B. .Амэлышн Л.А.ДаргакЬвскиЗ: Б.А.,Панов Д.П.Цо-тод адаптации математической модели периодического процесса микробиологического синтеза.В иг:Тезиса докладов v Всесоюзной конф."Математические метода в xiaani",Грозный.198Б, с-157-1Б8-

!.Лм9Льккн A.A. .Казаков A.B. .Туликова Г.Б.Способ автоматического управления процессам вирвздааяия ¡апсроорганазшв.Авторское свидетельство СССР М 1252339.Рвллетень изобретений, 1986, N 31.C.I07.

.Казаков А.В.,Ашлькш A.A..Ганипольсккй с.Л. .Тартачовскай Б.А-■ Оптимальное управление процессом форшптации лизина.В кн: Тезисы докладов IY Всес.конф."Управляемое культивирование микроорганизмов".Пущипо.I98G,сЛ 67.

.Казаков A.B..Панов д.п. .Письменный В.В.,АиелькзтА.А.Микропроцессорная АСУТП биосинтеза лизина в реакторе периодического действия.В гапТэзнси докл. Всесоюзной нвучио-техшет. конф."Автоматизяция и роботизация в хим.промшалешюсти". Тамбсв,1Э86,с.1Б2.

.Дудников Е.Г. .Казаков A.B. .Ссфяева D.H. и др.Автоматическое управлоние в химической промышленности.УЪчршк для вузов.Ы. :Хишя, 1987.-368с.

Казаков A.B..Панов Д.П.,Письменный В.В.и др. Адаптивное управление периодическими процессами ферментации на примере биосинтеза лизина. Обзор';.информация.М. :ЦЬ)ГГИ Ман-кедбиопрома СССР,1987.Вып.2.-42с.

Ганнюльский С.Л.,Казаков A.B.Оптимальное управление полупериодическим процессом биосинтеза лизина. Рук. депонир.в ЦБНТИ Минмедпрома СССР Н 29-Ш-87деп. . •

Казаков А.В.Моделирование на ЭВМ объектов и систем управ-пония.М.:МТИПП,1988.-105с.

Ю.Гашшольский 0. JI.,Казаков A.B. .Звэлкова О .Б. Классификация процессов мшсробного синтаза.Биотехнология,1989,К5,с.G66-671.

11.Тзртаковский Б.А.,Казаков A.B..Липовская Е.В.Применение катода неланэйной пошаговой регрессии для восстановления структуры кинетических функций.Теор.основы хим.технологии 1.24.N 2,1990,0.211-217.

12.KB3BKOB A.B. .Тар'таковский Б.А.Применение эви при исследовании и,оптимизации периодических процессов ферментации. ООзорп.информация.M. :ВНИСЭНТИ Кишедпрома СССР, 1990.Вал.2 -40с.

13ЛСазакав A.B. .Тартаковсккй. Б.А. Инженерная методика опти-. ьизециа процессов какробного синтеза и ее пропашное обеспечение .В кн:Тезисы докладов XI Национальной научно-техшгчэской .ко.чф. "Автоматизация процессов пищевой и бяо-тэхнол.пр-ти",Пловдив,1ЭЭ0,с.58

14.HS3SK0B A.B..Ганапольский 0.J1. Оптимальное управление периодическими процессии форазнтевди с учетом их ивдивиду-вльяях особенностей.Обзорп. информация. M. :ВНШСЗНТИ Ши-кэдарома СССР,1991.-40с.

15.Квзакав А.В.,Ганщшльский С.Л. AIM сменного макробиолога цахов ферментации.В ки:Тезясы докладов Всес.конф."Микропроцессорные комплексы для управления технологическими проце ссаш", Грозный, 1991, с. 77.

16.Кваахов A.B. ,Тартековский Б.А. Методика сптЕмазацга процессов микробного синтезе.Биотехнология,N6,1991,с.86.

Ротадрант НТО ЧЯР^___

Заказ » 112 .тираж 100 зкз,